La astronomía infrarroja es una subdisciplina de la astronomía que se especializa en la observación y análisis de objetos astronómicos utilizando radiación infrarroja (IR). La longitud de onda de la luz infrarroja oscila entre 0,75 y 300 micrómetros, y se sitúa entre la radiación visible , que oscila entre 380 y 750 nanómetros , y las ondas submilimétricas .
La astronomía infrarroja comenzó en la década de 1830, unas décadas después del descubrimiento de la luz infrarroja por William Herschel en 1800. Los primeros avances fueron limitados y no fue hasta principios del siglo XX que se realizaron detecciones concluyentes de objetos astronómicos distintos del Sol y la Luna . en luz infrarroja. Después de que se realizaron una serie de descubrimientos en radioastronomía en las décadas de 1950 y 1960 , los astrónomos se dieron cuenta de la información disponible fuera del rango de longitud de onda visible y se estableció la astronomía infrarroja moderna.
La astronomía infrarroja y óptica a menudo se practica utilizando los mismos telescopios , ya que los mismos espejos o lentes suelen ser efectivos en un rango de longitud de onda que incluye tanto la luz visible como la infrarroja. Ambos campos también utilizan detectores de estado sólido , aunque el tipo específico de fotodetectores de estado sólido utilizados es diferente. La luz infrarroja es absorbida en muchas longitudes de onda por el vapor de agua en la atmósfera terrestre , por lo que la mayoría de los telescopios infrarrojos se encuentran a gran altura en lugares secos, por encima de la mayor parte posible de la atmósfera. También ha habido observatorios de infrarrojos en el espacio , incluido el Telescopio Espacial Spitzer , el Observatorio Espacial Herschel y, más recientemente, el Telescopio Espacial James Webb .
El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye a William Herschel, quien realizó un experimento en 1800 donde colocó un termómetro en la luz del sol de diferentes colores después de que éste pasara por un prisma . Observó que el aumento de temperatura inducido por la luz solar era mayor fuera del espectro visible, justo más allá del color rojo. El hecho de que el aumento de temperatura fuera mayor en las longitudes de onda infrarrojas se debió a la respuesta espectral del prisma más que a las propiedades del Sol, pero el hecho de que hubiera algún aumento de temperatura llevó a Herschel a deducir que había radiación invisible del Sol. Denominó a esta radiación "rayos caloríficos" y demostró que podían reflejarse, transmitirse y absorberse como la luz visible. [1]
A partir de la década de 1830 y durante todo el siglo XIX se hicieron esfuerzos para detectar la radiación infrarroja de otras fuentes astronómicas. La radiación de la Luna fue detectada por primera vez en 1856 por Charles Piazzi Smyth , el astrónomo real de Escocia, durante una expedición a Tenerife para probar sus ideas sobre la astronomía en las cimas de las montañas. Ernest Fox Nichols utilizó un radiómetro Crookes modificado en un intento de detectar la radiación infrarroja de Arcturus y Vega , pero Nichols consideró que los resultados no eran concluyentes. Aun así, la relación de flujo que informó para las dos estrellas es consistente con el valor moderno, por lo que George Rieke le da crédito a Nichols por la primera detección de una estrella distinta a la nuestra en el infrarrojo. [3]
El campo de la astronomía infrarroja continuó desarrollándose lentamente a principios del siglo XX, cuando Seth Barnes Nicholson y Edison Pettit desarrollaron detectores de termopila capaces de realizar fotometría infrarroja precisa y sensibles a unos pocos cientos de estrellas. Este campo fue descuidado en gran medida por los astrónomos tradicionales hasta la década de 1960, y la mayoría de los científicos que practicaban la astronomía infrarroja eran en realidad físicos capacitados . El éxito de la radioastronomía durante las décadas de 1950 y 1960, combinado con la mejora de la tecnología de detectores de infrarrojos , impulsó a más astrónomos a prestar atención y la astronomía infrarroja quedó bien establecida como un subcampo de la astronomía. [3] [4]
Los telescopios espaciales infrarrojos entraron en servicio. En 1983, IRAS realizó un estudio de todo el cielo. En 1995, la Agencia Espacial Europea creó el Observatorio Espacial de Infrarrojos . Antes de que este satélite se quedara sin helio líquido en 1998, descubrió protoestrellas y agua en nuestro universo (incluso en Saturno y Urano). [5]
El 25 de agosto de 2003, la NASA lanzó el Telescopio Espacial Spitzer , anteriormente conocido como Instalación del Telescopio Espacial Infrarrojo. En 2009, el telescopio se quedó sin helio líquido y perdió la capacidad de ver el infrarrojo lejano . Había descubierto estrellas, la Nebulosa de la Doble Hélice y luz de planetas extrasolares . Continuó trabajando en bandas de 3,6 y 4,5 micrómetros. Desde entonces, otros telescopios infrarrojos ayudaron a encontrar nuevas estrellas en formación, nebulosas y viveros estelares. Los telescopios infrarrojos nos han abierto una parte completamente nueva de la galaxia. También son útiles para observar cosas extremadamente distantes, como los quásares . Los cuásares se alejan de la Tierra. El gran corrimiento al rojo resultante los convierte en objetivos difíciles para un telescopio óptico. Los telescopios infrarrojos dan mucha más información sobre ellos.
En mayo de 2008, un grupo de astrónomos internacionales del infrarrojo demostró que el polvo intergaláctico atenúa enormemente la luz de las galaxias distantes. En realidad, las galaxias son casi el doble de brillantes de lo que parecen. El polvo absorbe gran parte de la luz visible y la reemite en forma de luz infrarroja.
La radiación infrarroja con longitudes de onda un poco más largas que la luz visible, conocida como infrarrojo cercano, se comporta de manera muy similar a la luz visible y puede detectarse utilizando dispositivos de estado sólido similares (debido a esto, se descubrieron muchos quásares, estrellas y galaxias). . Por esta razón, la región del infrarrojo cercano del espectro se incorpora comúnmente como parte del espectro "óptico", junto con el ultravioleta cercano. Muchos telescopios ópticos , como los del Observatorio Keck , funcionan eficazmente tanto en el infrarrojo cercano como en longitudes de onda visibles. El infrarrojo lejano se extiende hasta longitudes de onda submilimétricas , que son observadas por telescopios como el Telescopio James Clerk Maxwell en el Observatorio Mauna Kea .
Como todas las demás formas de radiación electromagnética , los astrónomos utilizan el infrarrojo para estudiar el universo . De hecho, las mediciones infrarrojas tomadas por los estudios astronómicos 2MASS y WISE han sido particularmente efectivas para revelar cúmulos de estrellas no descubiertos previamente . [8] [9] Ejemplos de estos cúmulos de estrellas incrustados son FSR 1424, FSR 1432, Camargo 394, Camargo 399, Majaess 30 y Majaess 99. [10] [11] [12] Telescopios infrarrojos, que incluyen la mayoría de los telescopios ópticos más importantes así como algunos telescopios infrarrojos específicos, deben enfriarse con nitrógeno líquido y protegerse de objetos calientes. La razón es que los objetos con temperaturas de unos pocos cientos de Kelvin emiten la mayor parte de su energía térmica en longitudes de onda infrarrojas. Si los detectores de infrarrojos no se mantuvieran refrigerados, la radiación del propio detector contribuiría con un ruido que eclipsaría la radiación de cualquier fuente celeste. Esto es particularmente importante en las regiones del espectro del infrarrojo medio y del infrarrojo lejano.
Para lograr una mayor resolución angular , algunos telescopios infrarrojos se combinan para formar interferómetros astronómicos . La resolución efectiva de un interferómetro está determinada por la distancia entre los telescopios, más que por el tamaño de cada uno de ellos. Cuando se utilizan junto con la óptica adaptativa , los interferómetros infrarrojos, como los dos telescopios de 10 metros del Observatorio Keck o los cuatro telescopios de 8,2 metros que componen el interferómetro del Very Large Telescope , pueden alcanzar una alta resolución angular.
La principal limitación de la sensibilidad infrarroja de los telescopios terrestres es la atmósfera terrestre. El vapor de agua absorbe una cantidad significativa de radiación infrarroja y la propia atmósfera emite en longitudes de onda infrarrojas. Por esta razón, la mayoría de los telescopios infrarrojos están construidos en lugares muy secos a gran altura, de modo que están por encima de la mayor parte del vapor de agua de la atmósfera. Los lugares adecuados en la Tierra incluyen el Observatorio Mauna Kea a 4205 metros sobre el nivel del mar, el Observatorio Paranal a 2635 metros en Chile y regiones de desiertos helados de gran altitud como el Domo C en la Antártida . Incluso a grandes altitudes, la transparencia de la atmósfera terrestre es limitada excepto en ventanas infrarrojas , o longitudes de onda donde la atmósfera terrestre es transparente. [13] Las principales ventanas de infrarrojos se enumeran a continuación:
Como ocurre con los telescopios de luz visible, el espacio es el lugar ideal para los telescopios de infrarrojos. Los telescopios en el espacio pueden alcanzar una resolución más alta, ya que no sufren la borrosidad causada por la atmósfera terrestre y también están libres de la absorción de infrarrojos causada por la atmósfera terrestre. Los telescopios infrarrojos actuales en el espacio incluyen el Observatorio Espacial Herschel , el Telescopio Espacial Spitzer , el Explorador de Infrarrojos de Campo Amplio y el Telescopio Espacial James Webb . Dado que poner telescopios en órbita es caro, también existen observatorios aéreos , como el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja y el Observatorio Aerotransportado Kuiper . Estos observatorios vuelan por encima de la mayor parte de la atmósfera, pero no de toda, y el vapor de agua en la atmósfera absorbe parte de la luz infrarroja del espacio.
Uno de los conjuntos de detectores de infrarrojos más comunes utilizados en los telescopios de investigación son los conjuntos de HgCdTe . Estos funcionan bien entre longitudes de onda de 0,6 y 5 micrómetros. Para observaciones de longitudes de onda más largas o mayor sensibilidad, se pueden utilizar otros detectores, incluidos otros detectores de semiconductores de espacio estrecho , conjuntos de bolómetros de baja temperatura o conjuntos de cruces de túneles superconductores con conteo de fotones.
Los requisitos especiales para la astronomía infrarroja incluyen: corrientes oscuras muy bajas para permitir tiempos de integración prolongados, circuitos de lectura asociados de bajo ruido y, a veces, un número de píxeles muy alto .
A menudo, las bajas temperaturas se consiguen mediante un refrigerante que puede acabarse. [14] Las misiones espaciales terminaron o pasaron a observaciones "cálidas" cuando se agotó el suministro de refrigerante. [14] Por ejemplo, WISE se quedó sin refrigerante en octubre de 2010, unos diez meses después de su lanzamiento. [14] (Ver también NICMOS , Telescopio Espacial Spitzer)
Muchos telescopios espaciales detectan radiación electromagnética en un rango de longitud de onda que se superpone al menos hasta cierto punto con el rango de longitud de onda infrarroja. Por tanto, es difícil definir qué telescopios espaciales son telescopios infrarrojos. Aquí la definición de "telescopio espacial infrarrojo" se entiende como un telescopio espacial cuya misión principal es detectar luz infrarroja.
En el espacio se han utilizado ocho telescopios espaciales de infrarrojos. Ellos son:
Además, SPHEREx es un telescopio cuyo lanzamiento está previsto para 2025. [16] La NASA también planea lanzar el Telescopio espacial romano Nancy Grace (NGRST), originalmente conocido como Telescopio espacial infrarrojo de campo amplio (WFIRST), en 2027. [17 ]
En el espacio se han utilizado muchas otras misiones espaciales más pequeñas y detectores espaciales de radiación infrarroja. Entre ellos se encuentra el Telescopio Infrarrojo (IRT), que voló con el Transbordador Espacial .
El satélite de astronomía de ondas submilimétricas (SWAS) a veces se menciona como un satélite de infrarrojos, aunque es un satélite submilimétrico.
En muchos telescopios espaciales, sólo algunos de los instrumentos son capaces de realizar observaciones infrarrojas. A continuación se enumeran algunos de los observatorios e instrumentos espaciales más notables:
Se han utilizado tres observatorios basados en aviones (ocasionalmente también se han utilizado otros aviones para albergar estudios espaciales infrarrojos) para estudiar el cielo en infrarrojos. Ellos son:
Existen muchos telescopios infrarrojos terrestres en todo el mundo. Los más grandes son:
